Vantaggi dell'utilizzo dei cavi di controllo a flessione continua nelle applicazioni industriali

Una connettività robusta, supportata da cavi di controllo flessibili a più conduttori, è necessaria per garantire il funzionamento affidabile di operazioni industriali come impianti di assemblaggio, sistemi di trasporto, apparecchiature pick-and-place e processi di trasformazione alimentare. La scelta e la specificazione dei cavi di controllo può sembrare semplice, ma si tratta di un processo complicato, con numerose esigenze applicative e standard industriali da considerare.

Tra gli standard industriali figurano i livelli di resistenza all'olio UL I e II, nonché il test di fiamma verticale UL 1581 per la resistenza al fuoco. Il cavo deve anche garantire la protezione meccanica definita nei test di impatto e schiacciamento UL 1277 ed essere in grado di resistere a oltre 8 milioni di cicli di flessione continua a temperature di funzionamento comprese tra -40 °C e +90 °C. Per soddisfare questi requisiti è necessario un cavo con conduttori a trefoli sottili in rame in una guaina in PVC appositamente formulata e adatta agli ambienti più difficili. I cavi schermati sono disponibili per le applicazioni che richiedono la soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Questo articolo illustra i vantaggi dei cavi ad alta flessibilità e le applicazioni più adatte al loro uso nel contesto degli standard industriali di resistenza all'olio, alla fiamma e alla protezione meccanica. Passa poi in rassegna i tipi di movimento che si verificano nelle applicazioni industriali, le classi di cavi flessibili e le opzioni di costruzione ed esamina la posizione dei cavi a più conduttori ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY di Lapp. Infine, presenta esempi di cavi flessibili schermati e non schermati di Lapp e spiega l'uso dei pressacavi nelle applicazioni standard e in quelle sensibili alle EMI.

Resistenza all'olio

L'olio viene utilizzato come lubrificante o refrigerante in diverse macchine industriali e la sua presenza può mettere a rischio il funzionamento e la durata dei cavi flessibili. Non tutti i materiali isolanti utilizzati per i cavi industriali reagiscono allo stesso modo alla presenza di olio. La formulazione del materiale è un fattore di differenziazione nel modo in cui reagiscono. Un fattore critico nei materiali isolanti è la presenza di plastificanti che favoriscono la flessibilità e la resistenza alla fatica.

A seconda del materiale isolante, l'olio viene assorbito oppure viene rilasciato il plastificante. In entrambi i casi, le proprietà di trazione dell'isolante, come la flessibilità, possono degradarsi significativamente. Il processo è il seguente (Figura 1):

• In primo luogo, quando gli oli entrano in contatto con i composti isolanti in polivinilcloruro (PVC) o poliolefina, interagiscono con i plastificanti.
• Se il materiale isolante è una poliolefina, l'olio viene assorbito, provocando un rigonfiamento e indebolendo l'isolante.
• Se il materiale isolante è il PVC, l'olio può causare la fuoriuscita del plastificante e l'indurimento dell'isolante.

Figura 1: Quando l'olio entra in contatto con l'isolante dei cavi (a sinistra), può causare il rigonfiamento e l'indebolimento delle poliolefine (al centro) e la perdita di materiale plastificante da parte del PVC, con conseguente indurimento del cavo (a destra). (Immagine per gentile concessione di Lapp)

I cavi utilizzati in applicazioni a flessione continua, come il modello ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY di Lapp, devono soddisfare due livelli di test UL di resistenza all'olio:

• Il livello I lascia un cavo in olio per quattro giorni a 100 °C. Il cavo deve conservare il 50% della sua resistenza alla trazione senza invecchiamento e il 50% della sua capacità di allungamento senza invecchiamento.
• Il livello II lascia un cavo in olio per 60 giorni a 75 °C. Il cavo deve conservare il 65% della sua resistenza alla trazione senza invecchiamento e il 65% della sua capacità di allungamento senza invecchiamento.

Resistente alle fiamme

Lapp definisce sette livelli di resistenza alla fiamma, da FR-00 a FR-06. FR-00 indica un cavo che si incendia e brucia facilmente. All'altra estremità dello spettro, FR-06 indica cavi con un'elevata resistenza alla fiamma. I cavi flessibili continui ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY sono classificati FR-02 e sono testati con il test di fiamma verticale UL VW-1 (UL 1581).

In questo test, un bruciatore a nastro tirrill permette di controllare i flussi di aria e gas. Una fiamma specifica viene applicata al campione per 15 secondi e poi rimossa. La fiamma viene riapplicata dopo 15 secondi o al massimo quando il campione cessa di fiammeggiare. Il test consiste in cinque applicazioni di una fiamma della durata di 15 secondi. Per superare il test, il campione non deve emettere fiamme o particelle incandescenti e il cotone chirurgico alla base del bruciatore non deve prendere fuoco. La norma IEC 60332-1 è la controparte di UL VW-1 e il tempo di applicazione della fiamma varia in base al diametro del cavo.

Protezione meccanica

I requisiti per la protezione meccanica variano notevolmente. In alcuni casi, i cavi dovranno sopravvivere a incidenti come la caduta di oggetti o l'impatto con un carrello elevatore o un altro veicolo. Esiste una serie di test di impatto e di schiacciamento per diversi livelli di protezione. I cavi flessibili continui ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY sono classificati MP-02 come definito nei test di impatto e schiacciamento UL 1277 (Tabella 1).

Tabella 1: I cavi flessibili continui ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY di Lapp hanno un grado di protezione meccanica pari a MP-02. (Tabella per gentile concessione di Lapp)

Tipo di movimento

Esistono tre tipi fondamentali di movimento nei sistemi industriali (Figura 2):

• I cavi flessibili sono utilizzati in applicazioni non automatizzate che presentano movimenti casuali. Le applicazioni tipiche includono macchine utensili e attrezzature portatili.
• I cavi a flessione continua subiscono un movimento lineare costante nei sistemi automatizzati e forze continue durante la piegatura. Le applicazioni possono comprendere cingoli orizzontali e verticali, catene portacavi, catene di potenza, gruppi automatizzati, ecc. Possono muoversi avanti e indietro a una velocità superiore a cinque metri al secondo e sperimentare forze superiori a cinque volte l'accelerazione di gravità.
• I cavi di torsione sono sottoposti a flessione e torsione in tre dimensioni. Le applicazioni più comuni includono robot industriali, macchine pick-and-place e operazioni di assemblaggio.

Figura 2: I tre tipi di movimento comuni nei sistemi industriali sono la flessione casuale (a sinistra), la flessione continua (al centro) e la torsione (a destra). (Immagine per gentile concessione di Lapp)

Quando si confrontano i cavi flessibili continui si devono considerare diverse variabili, tra cui il raggio di curvatura, la distanza, l'accelerazione, la velocità e il peso. Le specifiche del cavo devono essere adattate alle particolari esigenze dell'applicazione. I cavi a flessione continua ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY di Lapp hanno un indice di flessione continua di CF-02 e possono sopportare fino a 8 milioni di cicli di flessione (Tabella 2). Il raggio di curvatura minimo è pari a 7,5 volte il diametro del cavo per i cavi non schermati e a dieci volte per i cavi schermati. La famiglia ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY comprende una varietà di modelli con svariati numeri di conduttori, diametri e pesi per soddisfare molteplici esigenze applicative.

Tabella 2: I cavi ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY di Lapp sono classificati CF-02 per una flessione continua moderata. (Tabella per gentile concessione di Lapp)

Classi di cavi e costruzione

I cavi industriali sono generalmente specificati in termini di area della sezione trasversale dei fili, anziché di diametro. L'area della sezione trasversale è un parametro prezioso, perché è direttamente proporzionale alla forza e al peso di un filo e inversamente proporzionale alla sua resistenza. Si riferisce anche alla massima capacità di condurre corrente. Ma ha i suoi limiti.

Alcuni tipi di rame hanno una resistività più elevata di altri. L'area della sezione trasversale può essere utilizzata per i confronti solo se i fili esaminati utilizzano lo stesso tipo di rame. La norma VDE 0295 / IEC 60228 affronta queste sfide classificando i fili in base alla resistenza anziché alle dimensioni fisiche.

Oltre alle caratteristiche dei singoli fili, i cavi industriali sono definiti dal numero e dalle dimensioni dei conduttori e dal numero di trefoli in ognuno. La norma VDE 0295 definisce diverse classi di conduttori in base alla flessibilità e alle capacità termiche, tra cui:

• La Classe 1 è costituita da conduttori pieni.
• La Classe 2 è costituita da conduttori a trefoli progettati per l'installazione fissa.
• La Classe 5 è costituita da conduttori flessibili a trefoli sottili.
• La Classe 6 utilizza fili sottilissimi per conduttori molto flessibili. I conduttori del sistema ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY di Lapp superano i requisiti della Classe 6.

Oltre a essere definiti dalla flessibilità basata sulla trefolatura, i cavi industriali sono definiti dalla loro costruzione. Le tre strutture più comuni di questi cavi sono (Figura 3):

• I conduttori unilay o a fascio sono attorcigliati nella stessa direzione e lunghezza di posa. Questi cavi sono adatti per applicazioni fisse.
• I conduttori controelicoidali concentrici sono costituiti da strati ben definiti di conduttori disposti elicoidalmente. Ciascuno strato ha una direzione di posa invertita e una lunghezza di posa crescente. Questi cavi sono adatti per progetti a flessione continua.
• I conduttori unilay concentrici sono circondati da uno o più strati di conduttori posati elicoidalmente con la stessa direzione e una lunghezza di posa crescente in ogni strato successivo. Questi cavi sono adatti per applicazioni soggette a torsioni e flessioni continue.

Figura 3: I cavi unilay o a fascio sono adatti per applicazioni stazionarie, i cavi controelicoidali concentrici sono adatti per applicazioni a flessione continua e i cavi unilay concentrici sono adatti per applicazioni soggette a torsioni o a flessioni continue. (Immagine per gentile concessione di Lapp)

Cavi flessibili continui

I cavi flessibili continui di Lapp sono classificati per 600 V e temperature da -5 °C a +90 °C (da -40 °C a +90 °C per le applicazioni fisse). I cavi non schermati ÖLFLEX FD 890 sono disponibili in sezioni da 20 AWG a 2 AWG, mentre i cavi schermati sono disponibili da 20 AWG a 6 AWG. I cavi schermati ÖLFLEX FD 890 CY hanno una treccia di rame stagnato che garantisce una copertura dell'85% e sono consigliati quando è necessaria la soppressione delle EMI (Figura 4).

Figura 4: Lapp offre cavi flessibili continui non schermati ÖLFLEX FD 890 (in alto) e cavi flessibili continui schermati ÖLFLEX FD 890 CY (in basso). (Immagine per gentile concessione di Lapp)

Esempi di cavi ÖLFLEX FD 890 non schermati sono:

• 8920034, un cavo a tre conduttori di 20 AWG con un diametro esterno di 6,7 mm, un peso in rame di 10 lb/mft e un peso complessivo di circa 43 lb/mft
• 8920044, un cavo a quattro conduttori di 20 AWG con un diametro esterno di 7,4 mm, un peso in rame di 16 lb/mft e un peso complessivo di circa 53 lb/mft

Esempi di cavi schermati ÖLFLEX FD 890 CY sono:

• 8918034S, un cavo a tre conduttori di 18 AWG con un diametro esterno di 9,5 mm, un peso in rame di 40 lb/mft e un peso complessivo di circa 91 lb/mft
• 8914044S, un cavo a quattro conduttori di 14 AWG con un diametro esterno di 14,0 mm, un peso in rame di 103 lb/mft e un peso complessivo di circa 181 lb/mft
• 8912044S, un cavo a quattro conduttori di 12 AWG con un diametro esterno di 16,5 mm, un peso in rame di 160 lb/mft e un peso complessivo di circa 302 lb/mft

Pressacavi

I pressacavi sono utilizzati per inserire i cavi negli alloggiamenti. Sigillano saldamente il cavo e l'alloggiamento e forniscono uno scarico della trazione al cavo. Inoltre, proteggono l'alloggiamento interno da polvere, umidità e altri agenti contaminanti e garantiscono un assemblaggio robusto e affidabile. I pressacavi di Lapp sono progettati e testati in conformità alla norma DIN EN 62444. Esempi di pressacavi offerti da Lapp sono i seguenti (Figura 5):

• Pressacavi in ottone SKINTOP MS-SC con contatto di schermatura a bassa resistenza e contatto EMC flessibile e altamente conduttivo, come 53112920
• Pressacavi in poliammide SKINTOP SL/SLR come 53015200 - durevoli pressacavi con scarico della trazione, a tenuta di liquidi e facili da montare, quando non è necessario il controllo delle EMI

Figura 5: Lapp offre pressacavi in ottone per il controllo delle EMI oltre alla tenuta ambientale e allo scarico della trazione (a sinistra e al centro) e pressacavi in poliammide (a destra) per applicazioni che non richiedono il controllo delle EMI. (Immagine per gentile concessione di Lapp)

Conclusione

I cavi flessibili continui supportano sistemi industriali come le operazioni di assemblaggio, i nastri trasportatori, le apparecchiature pick-and-place e di trasformazione alimentare. I cavi ÖLFLEX FD 890/FD 890 CY di Lapp soddisfano o superano i requisiti del settore per quanto riguarda la resistenza all'olio e alla fiamma e la protezione meccanica e sono classificati per un massimo di 8 milioni di cicli di flessione. Sono disponibili in un'ampia gamma di dimensioni, con e senza schermatura, e possono essere utilizzati insieme ai pressacavi dell'azienda per fornire soluzioni robuste dal punto di vista ambientale.